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Físicos del MIT (Massachussetts Institute of Technology) han creado una nueva forma de materia: un súper-sólido, el cual combina las propiedades de los sólidos con las que tienen los súper-fluidos. Usando rayos laser para manipular gases súper-fluidos, conocidos como condensación Bose-Einstein, el equipo de investigadores fue capaz de hacer que el súper-fluido condensado entrara en una fase cuántica de la materia que tiene una estructura rígida -como la de un sólido- y puede fluir sin viscosidad -una clave característica de los súper-fluidos y superconductores.

Esto puede ser importante para mejorar tecnologías tales como los imanes y sensores superconductores, así como para eficientar el transporte de energía. Los investigadores han reportado sus resultados esta semana en Nature. “Es contra-intuitivo tener materiales que combinen la solidez y la súper-fluidez”, dice el líder del equipo, Wolfang Ketterle, profesor de física en el MIT. “Si su café fuese súper-fluido, usted podría revolverlo con su cuchara y esto continuaría para siempre”, comentó.

Los físicos ya habían predicho la posibilidad de la existencia de los súper-sólidos, pero estos no habían sido observados en el laboratorio Ellos teorizaban que el helio sólido podría volverse súper-fluido si los átomos de helio pudiesen moverse alrededor de un cristal sólido de helio, convirtiéndose efectivamente en un súper-sólido. Sin embargo, la prueba experimental simplemente eludía a los experimentos de los investigadores.

El equipo del MIT decidió usar una combinación de enfriamiento por laser y métodos de enfriamiento por evaporación, originalmente desarrollados por Ketterle, lo cual permitió enfriar átomos de sodio a temperaturas de nanokelvins. Los átomos de sodio se conocen como bosones, por su número par de nucleones y electrones. Cuando se enfrían a casi el cero absoluto, los bosones forman un estado súper-fluido de un gas diluido, que se denomina -como ya comentamos- condensación Bose-Einstein (o BEC). Ketterle co-descubrió BECs por lo que recibió el Premio Nobel de Física en el 2001.

“El reto era entonces ahora añadir algo al BEC para asegurarse que desarrollara una forma más allá de la forma de la ‘trampa de átomos’, la cual es la que define las características de un sólido”, explica Ketterle. Para crear el estado súper-sólido, el equipo manipuló el movimiento de los átomos del BEC usando rayos laser, e introduciendo así “acoplamientos de órbitas de giro, de spin”.

En una cámara de ultra-vacío, el equipo usó un conjunto inicial de rayos laser para convertir la mitad de los átomos condensados en diferentes estados cuánticos, o de giro, esencialmente creando una mezcla de dos condensaciones Bose-Einstein. Más rayos laser entonces transfirieron átomos entre los dos estados condensados, llamado esto “una vuelta del spin”. “Estos láser extra dieron una vuelta de spin a los átomos y energía extra para realizar el acoplamiento de las órbitas de giro”, comenta Ketterle.

Los físicos ya habían predicho que un acoplamiento en la órbita de giro de un condensado Bose-Einstein podría ser un súper-sólido, debido a su “densidad de modulación”espontánea. Como un sólido cristalino, la densidad de un súper-sólido no es más una constante. Ahora es una serie de patrones de onda llamados “fase de rayas”

“La parte más difícil fue observar esta modulación de la densidad”, indica Junru Li, un estudiante graduado del MIT que ha trabajado en el descubrimiento. Esta observación se realizó con otro rayo laser, el cual fue difractado por la modulación de la densidad. “La receta para un súper-sólido es realmente simple”, dice Li, “pero fue un gran reto alinear precisamente todos los rayos laser y tener todo estable para observar la fase de rayas”.

Por el momento los súper-sólidos sólo existen a temperaturas bajas extremas y en condiciones de un ultra-vacío. En un trabajo futuro el equipo planea seguir experimentando para entender mejor el acoplamiento y las propiedades de la nueva forma de materia que han creado. “Con nuestros átomos fríos, estamos mapeando lo que es posible en la naturaleza”, dice Ketterle. “Ahora que hemos demostrado experimentalmente lo que la teoría predice como súper-sólidos, esperamos inspirar a nuevas investigaciones que bien podrían llevar a resultados inesperados”, concluye.

Referencias: Phys.org 

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